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Segnaliamo un notevole effetto fotovoltaico nella ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) tra 50 e 300 K indotto dall'illuminazione laser blu, che è direttamente correlato alla superconduttività di YBCO e all'interfaccia YBCO-elettrodo metallico. Si verifica un'inversione di polarità per la tensione a circuito aperto Voc e la corrente di cortocircuito Isc quando YBCO subisce una transizione dallo stato superconduttore a quello resistivo. Mostriamo che esiste un potenziale elettrico attraverso l'interfaccia superconduttore-metallo normale, che fornisce la forza di separazione per le coppie elettrone-lacuna fotoindotte. Questo potenziale di interfaccia si dirige da YBCO all'elettrodo metallico quando YBCO è superconduttore e cambia nella direzione opposta quando YBCO diventa non superconduttore. L'origine del potenziale può essere facilmente associata all'effetto di prossimità sull'interfaccia metallo-superconduttore quando YBCO è superconduttore e il suo valore è stimato in ~10–8 mV a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm2. La combinazione di un materiale di tipo p YBCO allo stato normale con una pasta Ag di materiale di tipo n forma una giunzione quasi-pn che è responsabile del comportamento fotovoltaico della ceramica YBCO alle alte temperature. Le nostre scoperte potrebbero aprire la strada a nuove applicazioni di dispositivi fotone-elettronici e far luce sull’effetto di prossimità sull’interfaccia superconduttore-metallo.
La tensione fotoindotta nei superconduttori ad alta temperatura è stata segnalata all'inizio degli anni '90 e da allora ampiamente studiata, ma la sua natura e il suo meccanismo rimangono incerti1,2,3,4,5. I film sottili YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, in particolare, sono intensamente studiati sotto forma di cella fotovoltaica (PV) a causa del suo gap energetico regolabile9,10,11,12,13. Tuttavia, l'elevata resistenza del substrato porta sempre a una bassa efficienza di conversione del dispositivo e maschera le proprietà fotovoltaiche primarie di YBCO8. Qui riportiamo il notevole effetto fotovoltaico indotto dall'illuminazione laser blu (λ = 450 nm) nella ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) tra 50 e 300 K (Tc ~ 90 K). Mostriamo che l'effetto PV è direttamente correlato alla superconduttività di YBCO e alla natura dell'interfaccia YBCO-elettrodo metallico. Si verifica un'inversione di polarità per la tensione a circuito aperto Voc e la corrente di cortocircuito Isc quando YBCO subisce una transizione dalla fase superconduttiva allo stato resistivo. Si propone che esista un potenziale elettrico attraverso l'interfaccia superconduttore-metallo normale, che fornisce la forza di separazione per le coppie elettrone-lacuna fotoindotte. Questo potenziale di interfaccia si dirige da YBCO all'elettrodo metallico quando YBCO è superconduttore e cambia nella direzione opposta quando il campione diventa non superconduttore. L'origine del potenziale può essere naturalmente associata all'effetto di prossimità14,15,16,17 all'interfaccia metallo-superconduttore quando YBCO è superconduttore e il suo valore è stimato in ~10−8 mV a 50 K con un'intensità laser di 502 mW /cm2. La combinazione di un materiale di tipo p YBCO allo stato normale con un materiale di tipo n La pasta Ag forma, molto probabilmente, una giunzione quasi-pn che è responsabile del comportamento PV della ceramica YBCO alle alte temperature. Le nostre osservazioni gettano ulteriore luce sull'origine dell'effetto PV nelle ceramiche YBCO superconduttrici ad alta temperatura e aprono la strada alla sua applicazione in dispositivi optoelettronici come rilevatori di luce passivi veloci ecc.
La Figura 1a–c mostra le caratteristiche IV del campione ceramico YBCO a 50 K. Senza illuminazione, la tensione ai capi del campione rimane pari a zero al variare della corrente, come ci si può aspettare da un materiale superconduttore. Un evidente effetto fotovoltaico appare quando il raggio laser è diretto al catodo (Fig. 1a): le curve IV parallele all'asse I si muovono verso il basso con l'aumentare dell'intensità del laser. È evidente che esiste una tensione fotoindotta negativa anche in assenza di corrente (spesso chiamata tensione a circuito aperto Voc). La pendenza zero della curva IV indica che il campione è ancora superconduttore sotto illuminazione laser.
(a–c) e 300 K (e–g). I valori di V(I) sono stati ottenuti spostando la corrente da −10 mA a +10 mA nel vuoto. Per ragioni di chiarezza viene presentata solo una parte dei dati sperimentali. a, Caratteristiche corrente-tensione di YBCO misurate con il punto laser posizionato sul catodo (i). Tutte le curve IV sono linee rette orizzontali che indicano che il campione è ancora superconduttore con l'irradiazione laser. La curva si abbassa con l'aumentare dell'intensità del laser, indicando che esiste un potenziale negativo (Voc) tra i due conduttori di tensione anche con corrente zero. Le curve IV rimangono invariate quando il laser è diretto al centro del campione a 50 K (b) o 300 K (f) di etere. La linea orizzontale si sposta verso l'alto quando l'anodo è illuminato (c). Un modello schematico della giunzione metallo-superconduttore a 50 K è mostrato in d. Le caratteristiche di corrente-tensione dello stato normale YBCO a 300 K misurate con il raggio laser puntato sul catodo e sull'anodo sono indicate rispettivamente in e e g. In contrasto con i risultati a 50 K, la pendenza diversa da zero delle linee rette indica che YBCO è in uno stato normale; i valori di Voc variano con l'intensità della luce in direzione opposta, indicando un diverso meccanismo di separazione di carica. Una possibile struttura dell'interfaccia a 300 K è illustrata in hj L'immagine reale del campione con i lead.
YBCO ricco di ossigeno nello stato superconduttore può assorbire quasi l'intero spettro della luce solare a causa del suo gap energetico molto piccolo (Eg)9,10, creando così coppie elettrone-lacuna (e–h). Per produrre una tensione a circuito aperto Voc mediante assorbimento di fotoni, è necessario separare spazialmente le coppie eh fotogenerate prima che avvenga la ricombinazione18. Il Voc negativo, relativo al catodo e all'anodo come indicato in Fig. 1i, suggerisce che esiste un potenziale elettrico attraverso l'interfaccia metallo-superconduttore, che trascina gli elettroni all'anodo e i buchi al catodo. Se questo è il caso, dovrebbe esserci anche un potenziale che punta dal superconduttore all'elettrodo metallico sull'anodo. Di conseguenza, si otterrebbe un Voc positivo se l'area del campione vicino all'anodo fosse illuminata. Inoltre, non dovrebbero esserci tensioni fotoindotte quando il punto laser viene puntato verso aree lontane dagli elettrodi. È certamente così, come si può vedere dalla Fig. 1b,c!.
Quando il punto luminoso si sposta dall'elettrodo catodico al centro del campione (a circa 1,25 mm di distanza dalle interfacce), non è possibile osservare alcuna variazione delle curve IV e nessun Voc con l'aumento dell'intensità del laser fino al valore massimo disponibile (Fig. 1b) . Naturalmente, questo risultato può essere attribuito alla durata limitata dei portatori fotoindotti e alla mancanza di forza di separazione nel campione. Le coppie elettrone-lacuna possono essere create ogni volta che il campione è illuminato, ma la maggior parte delle coppie e-h verranno annichilate e non si osserverà alcun effetto fotovoltaico se il punto laser cade su aree lontane da uno qualsiasi degli elettrodi. Spostando il punto laser sugli elettrodi dell'anodo, le curve IV parallele all'asse I si spostano verso l'alto con l'aumentare dell'intensità del laser (Fig. 1c). Un campo elettrico simile esiste nella giunzione metallo-superconduttore sull'anodo. Tuttavia, questa volta l'elettrodo metallico si collega al cavo positivo del sistema di test. I fori prodotti dal laser vengono spinti verso il cavo dell'anodo e quindi si osserva un Voc positivo. I risultati qui presentati forniscono una prova evidente che esiste effettivamente un potenziale di interfaccia che punta dal superconduttore all'elettrodo metallico.
L'effetto fotovoltaico nella ceramica YBa2Cu3O6.96 a 300 K è mostrato in Fig. 1e-g. Senza illuminazione, la curva IV del campione è una linea retta che attraversa l'origine. Questa linea retta si muove verso l'alto parallelamente a quella originale con l'aumentare dell'intensità del laser che si irradia ai conduttori del catodo (Fig. 1e). Esistono due casi limite di interesse per un dispositivo fotovoltaico. La condizione di cortocircuito si verifica quando V = 0. La corrente in questo caso viene definita corrente di cortocircuito (Isc). Il secondo caso limite è la condizione di circuito aperto (Voc) che si verifica quando R→∞ o la corrente è zero. La Figura 1e mostra chiaramente che Voc è positivo e aumenta con l'aumentare dell'intensità della luce, in contrasto con il risultato ottenuto a 50 K; mentre si osserva che un Isc negativo aumenta di magnitudine con l'illuminazione leggera, un comportamento tipico delle normali celle solari.
Allo stesso modo, quando il raggio laser è puntato verso aree lontane dagli elettrodi, la curva V(I) è indipendente dall'intensità del laser e non si verifica alcun effetto fotovoltaico (Fig. 1f). Analogamente alla misurazione a 50 K, le curve IV si muovono nella direzione opposta quando l'elettrodo dell'anodo viene irradiato (Fig. 1g). Tutti questi risultati ottenuti per questo sistema di pasta YBCO-Ag a 300 K con laser irradiato in diverse posizioni del campione sono coerenti con un potenziale di interfaccia opposto a quello osservato a 50 K.
La maggior parte degli elettroni si condensa in coppie di Cooper nel superconduttore YBCO al di sotto della sua temperatura di transizione Tc. Nell'elettrodo metallico tutti gli elettroni rimangono in forma singolare. Esiste un ampio gradiente di densità sia per gli elettroni singolari che per le coppie di Cooper in prossimità dell'interfaccia metallo-superconduttore. Gli elettroni singolari portatori maggioritari nel materiale metallico si diffonderanno nella regione del superconduttore, mentre le coppie di Cooper portatori maggioritari nella regione YBCO si diffonderanno nella regione metallica. Poiché le coppie di Cooper che trasportano più cariche e hanno una mobilità maggiore rispetto agli elettroni singolari si diffondono da YBCO nella regione metallica, gli atomi caricati positivamente vengono lasciati indietro, risultando in un campo elettrico nella regione di carica spaziale. La direzione di questo campo elettrico è mostrata nel diagramma schematico Fig. 1d. L'illuminazione incidente dei fotoni vicino alla regione di carica spaziale può creare coppie eh che verranno separate e spazzate via producendo una fotocorrente nella direzione di polarizzazione inversa. Non appena gli elettroni escono dal campo elettrico incorporato, si condensano in coppie e fluiscono verso l'altro elettrodo senza resistenza. In questo caso la Voc è opposta alla polarità preimpostata e visualizza un valore negativo quando il raggio laser punta nell'area attorno all'elettrodo negativo. Dal valore di Voc si può stimare il potenziale attraverso l'interfaccia: la distanza tra i due conduttori di tensione d è ~5 × 10−3 m, lo spessore dell'interfaccia metallo-superconduttore, di, dovrebbe essere dello stesso ordine di grandezza poiché la lunghezza di coerenza del superconduttore YBCO (~1 nm)19,20, prendi il valore di Voc = 0,03 mV, il potenziale Vms all'interfaccia metallo-superconduttore viene valutato come ~10−11 V a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm2, utilizzando l'equazione,
Vogliamo sottolineare qui che la tensione fotoindotta non può essere spiegata dall'effetto fototermico. È stato stabilito sperimentalmente che il coefficiente di Seebeck del superconduttore YBCO è Ss = 021. Il coefficiente di Seebeck per i cavi in rame è compreso tra SCu = 0,34–1,15 μV/K3. La temperatura del filo di rame nel punto laser può essere aumentata di una piccola quantità di 0,06 K con l'intensità massima del laser disponibile a 50 K. Ciò potrebbe produrre un potenziale termoelettrico di 6,9 × 10−8 V che è tre ordini di grandezza inferiore a il Voc ottenuto in Fig 1 (a). È evidente che l'effetto termoelettrico è troppo piccolo per spiegare i risultati sperimentali. Infatti, la variazione di temperatura dovuta all'irradiazione laser scomparirebbe in meno di un minuto, così che il contributo dell'effetto termico potrebbe essere tranquillamente ignorato.
Questo effetto fotovoltaico di YBCO a temperatura ambiente rivela che qui è coinvolto un diverso meccanismo di separazione della carica. Il superconduttore YBCO nello stato normale è un materiale di tipo p con fori come portatore di carica22,23, mentre la pasta metallica Ag ha caratteristiche di un materiale di tipo n. Simile alle giunzioni pn, la diffusione degli elettroni nella pasta d'argento e dei fori nella ceramica YBCO formerà un campo elettrico interno che punta alla ceramica YBCO all'interfaccia (Fig. 1h). È questo campo interno che fornisce la forza di separazione e porta a un Voc positivo e un Isc negativo per il sistema di pasta YBCO-Ag a temperatura ambiente, come mostrato nella Fig. 1e. In alternativa, Ag-YBCO potrebbe formare una giunzione Schottky di tipo p che porta anche ad un potenziale di interfaccia con la stessa polarità del modello presentato sopra24.
Per studiare il processo di evoluzione dettagliato delle proprietà fotovoltaiche durante la transizione superconduttiva di YBCO, sono state misurate le curve IV del campione a 80 K con intensità laser selezionate che illuminano l'elettrodo catodico (Fig. 2). Senza irradiazione laser, la tensione attraverso il campione rimane pari a zero indipendentemente dalla corrente, indicando lo stato superconduttore del campione a 80 K (Fig. 2a). Similmente ai dati ottenuti a 50 K, le curve IV parallele all'asse I si muovono verso il basso con l'aumentare dell'intensità del laser fino a raggiungere un valore critico Pc. Al di sopra di questa intensità laser critica (Pc), il superconduttore subisce una transizione da una fase superconduttiva ad una fase resistiva; la tensione inizia ad aumentare con la corrente a causa della comparsa di resistenza nel superconduttore. Di conseguenza, la curva IV inizia a intersecarsi con l’asse I e l’asse V portando inizialmente a un Voc negativo e a un Isc positivo. Ora il campione sembra trovarsi in uno stato speciale in cui la polarità di Voc e Isc è estremamente sensibile all'intensità luminosa; con un aumento molto piccolo dell'intensità della luce Isc viene convertito da positivo a negativo e Voc da valore negativo a positivo, passando per l'origine (l'elevata sensibilità delle proprietà fotovoltaiche, in particolare il valore di Isc, all'illuminazione luminosa può essere vista più chiaramente in Fig. 2b). Alla massima intensità laser disponibile, le curve IV intendono essere parallele tra loro, a indicare lo stato normale del campione YBCO.
Il centro del punto laser è posizionato attorno agli elettrodi catodici (vedere Fig. 1i). a, curve IV di YBCO irradiate con diverse intensità laser. b (in alto), dipendenza dall'intensità del laser della tensione a circuito aperto Voc e della corrente di cortocircuito Isc. I valori Isc non possono essere ottenuti a bassa intensità luminosa (< 110 mW/cm2) perché le curve IV sono parallele all'asse I quando il campione è in stato superconduttivo. b (in basso), resistenza differenziale in funzione dell'intensità del laser.
La dipendenza dall'intensità laser di Voc e Isc a 80 K è mostrata in Fig. 2b (in alto). Le proprietà fotovoltaiche possono essere discusse in tre regioni di intensità luminosa. La prima regione è compresa tra 0 e Pc, in cui YBCO è superconduttore, Voc è negativo e diminuisce (il valore assoluto aumenta) con l'intensità della luce e raggiunge un minimo a Pc. La seconda regione va da Pc ad un'altra intensità critica P0, in cui Voc aumenta mentre Isc diminuisce con l'aumentare dell'intensità della luce ed entrambi raggiungono lo zero in P0. La terza regione è al di sopra di P0 finché non viene raggiunto lo stato normale di YBCO. Sebbene sia Voc che Isc varino con l'intensità della luce allo stesso modo della regione 2, hanno polarità opposta al di sopra dell'intensità critica P0. L'importanza di P0 sta nel fatto che non c'è alcun effetto fotovoltaico e il meccanismo di separazione della carica cambia qualitativamente in questo particolare punto. Il campione YBCO diventa non superconduttore in questo intervallo di intensità luminosa, ma lo stato normale deve ancora essere raggiunto.
Chiaramente, le caratteristiche fotovoltaiche del sistema sono strettamente legate alla superconduttività di YBCO e alla sua transizione superconduttiva. La resistenza differenziale, dV/dI, di YBCO è mostrata in Fig. 2b (in basso) in funzione dell'intensità del laser. Come accennato in precedenza, il potenziale elettrico incorporato nell'interfaccia dovuto ai punti di diffusione della coppia di Cooper dal superconduttore al metallo. Similmente a quello osservato a 50 K, l'effetto fotovoltaico viene potenziato all'aumentare dell'intensità del laser da 0 a Pc. Quando l'intensità del laser raggiunge un valore leggermente superiore a Pc, la curva IV inizia ad inclinarsi e la resistenza del campione comincia ad apparire, ma la polarità del potenziale di interfaccia non è ancora cambiata. L'effetto dell'eccitazione ottica sulla superconduttività è stato studiato nella regione del visibile o del vicino IR. Mentre il processo di base è quello di spezzare le coppie di Cooper e distruggere la superconduttività25,26, in alcuni casi la transizione della superconduttività può essere migliorata27,28,29, o addirittura possono essere indotte nuove fasi di superconduttività30. L'assenza di superconduttività a Pc può essere attribuita alla rottura della coppia fotoindotta. Nel punto P0, il potenziale attraverso l'interfaccia diventa zero, indicando che la densità di carica in entrambi i lati dell'interfaccia raggiunge lo stesso livello sotto questa particolare intensità di illuminazione luminosa. Un ulteriore aumento dell'intensità del laser provoca la distruzione di più coppie di Cooper e l'YBCO viene gradualmente trasformato in un materiale di tipo p. Invece della diffusione di elettroni e coppie di Cooper, la caratteristica dell'interfaccia è ora determinata dalla diffusione di elettroni e lacune che porta ad un'inversione di polarità del campo elettrico nell'interfaccia e di conseguenza a un Voc positivo (confronta Fig.1d,h). Ad un'intensità laser molto elevata, la resistenza differenziale di YBCO si satura ad un valore corrispondente allo stato normale e sia Voc che Isc tendono a variare linearmente con l'intensità del laser (Fig. 2b). Questa osservazione rivela che l'irradiazione laser sullo stato normale YBCO non cambierà più la sua resistività e le caratteristiche dell'interfaccia superconduttore-metallo, ma aumenterà solo la concentrazione delle coppie elettrone-lacuna.
Per studiare l'effetto della temperatura sulle proprietà fotovoltaiche, il sistema metallo-superconduttore è stato irradiato al catodo con laser blu di intensità 502 mW/cm2. Le curve IV ottenute a temperature selezionate comprese tra 50 e 300 K sono riportate in Fig. 3a. La tensione a circuito aperto Voc, la corrente di cortocircuito Isc e la resistenza differenziale possono quindi essere ottenute da queste curve IV e sono mostrate in Fig. 3b. Senza illuminazione, tutte le curve IV misurate a diverse temperature passano l'origine come previsto (riquadro di Fig. 3a). Le caratteristiche IV cambiano drasticamente con l'aumentare della temperatura quando il sistema è illuminato da un raggio laser relativamente potente (502 mW/cm2). A basse temperature le curve IV sono rette parallele all'asse I con valori negativi di Voc. Questa curva si muove verso l'alto con l'aumentare della temperatura e si trasforma gradualmente in una linea con una pendenza diversa da zero ad una temperatura critica Tcp (Fig. 3a (in alto)). Sembra che tutte le curve caratteristiche IV ruotino attorno ad un punto nel terzo quadrante. Voc aumenta da un valore negativo a positivo mentre Isc diminuisce da un valore positivo a negativo. Al di sopra della temperatura di transizione superconduttiva originale Tc di YBCO, la curva IV cambia in modo piuttosto diverso con la temperatura (parte inferiore della Figura 3a). Innanzitutto il centro di rotazione delle curve IV si sposta nel primo quadrante. In secondo luogo, Voc continua a diminuire e Isc ad aumentare con l'aumentare della temperatura (parte superiore della Fig. 3b). In terzo luogo, la pendenza delle curve IV aumenta linearmente con la temperatura risultando in un coefficiente di resistenza alla temperatura positivo per YBCO (parte inferiore della Fig. 3b).
Dipendenza dalla temperatura delle caratteristiche fotovoltaiche per il sistema di pasta YBCO-Ag con illuminazione laser da 502 mW/cm2.
Il centro del punto laser è posizionato attorno agli elettrodi catodici (vedere Fig. 1i). a, curve IV ottenute da 50 a 90 K (in alto) e da 100 a 300 K (in basso) con un incremento di temperatura di 5 K e 20 K, rispettivamente. Il riquadro a mostra le caratteristiche IV a diverse temperature al buio. Tutte le curve attraversano il punto di origine. b, tensione a circuito aperto Voc e corrente di cortocircuito Isc (in alto) e resistenza differenziale, dV/dI, di YBCO (in basso) in funzione della temperatura. La temperatura di transizione superconduttiva a resistenza zero Tcp non è fornita perché è troppo vicina a Tc0.
Dalla Fig. 3b si possono riconoscere tre temperature critiche: Tcp, al di sopra della quale YBCO diventa non superconduttore; Tc0, alla quale sia Voc che Isc diventano zero e Tc, la temperatura di transizione superconduttiva di inizio originale di YBCO senza irradiazione laser. Al di sotto di Tcp ~ 55 K, l'YBCO irradiato dal laser è in stato superconduttore con una concentrazione relativamente alta di coppie di Cooper. L'effetto dell'irradiazione laser è quello di ridurre la temperatura di transizione superconduttiva a resistenza zero da 89 K a ~ 55 K (parte inferiore della Fig. 3b) riducendo la concentrazione della coppia di Cooper oltre a produrre tensione e corrente fotovoltaica. L'aumento della temperatura rompe anche le coppie di Cooper portando ad un potenziale inferiore nell'interfaccia. Di conseguenza, il valore assoluto di Voc diminuirà, anche se viene applicata la stessa intensità di illuminazione laser. Il potenziale di interfaccia diventerà sempre più piccolo con l'ulteriore aumento della temperatura e raggiungerà lo zero a Tc0. Non c'è effetto fotovoltaico in questo punto speciale perché non c'è un campo interno per separare le coppie elettrone-lacuna fotoindotte. Al di sopra di questa temperatura critica si verifica un'inversione di polarità del potenziale poiché la densità di carica libera nella pasta Ag è maggiore di quella nell'YBCO che viene gradualmente ritrasferita a un materiale di tipo p. Qui vogliamo sottolineare che l'inversione di polarità di Voc e Isc avviene immediatamente dopo la transizione superconduttiva a resistenza zero, indipendentemente dalla causa della transizione. Questa osservazione rivela chiaramente, per la prima volta, la correlazione tra la superconduttività e gli effetti fotovoltaici associati al potenziale dell'interfaccia metallo-superconduttore. La natura di questo potenziale attraverso l’interfaccia superconduttore-metallo normale è stata al centro della ricerca negli ultimi decenni, ma ci sono molte domande ancora in attesa di risposta. La misurazione dell'effetto fotovoltaico potrebbe rivelarsi un metodo efficace per esplorare i dettagli (come la sua forza, polarità, ecc.) di questo importante potenziale e quindi far luce sull'effetto di prossimità superconduttore ad alta temperatura.
Un ulteriore aumento della temperatura da Tc0 a Tc porta ad una minore concentrazione di coppie di Cooper e ad un aumento del potenziale di interfaccia e di conseguenza a un maggiore Voc. A Tc la concentrazione della coppia di Cooper diventa zero e il potenziale incorporato all'interfaccia raggiunge il massimo, risultando in Voc massimo e Isc minimo. Il rapido aumento di Voc e Isc (valore assoluto) in questo intervallo di temperature corrisponde alla transizione superconduttiva che viene ampliata da ΔT ~ 3 K a ~ 34 K mediante irradiazione laser di intensità 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Negli stati normali al di sopra di Tc, la tensione a circuito aperto Voc diminuisce con la temperatura (parte superiore della Fig. 3b), simile al comportamento lineare di Voc per le normali celle solari basate su giunzioni pn31,32,33. Sebbene il tasso di variazione di Voc con la temperatura (−dVoc/dT), che dipende fortemente dall'intensità del laser, sia molto inferiore a quello delle normali celle solari, il coefficiente di temperatura di Voc per la giunzione YBCO-Ag ha lo stesso ordine di grandezza di quello delle celle solari. La corrente di dispersione di una giunzione pn per un normale dispositivo a cella solare aumenta con l'aumento della temperatura, portando ad una diminuzione di Voc all'aumentare della temperatura. Le curve IV lineari osservate per questo sistema superconduttore Ag, a causa in primo luogo del potenziale di interfaccia molto piccolo e in secondo luogo della connessione schiena a schiena delle due eterogiunzioni, rendono difficile determinare la corrente di dispersione. Tuttavia, sembra molto probabile che la stessa dipendenza dalla temperatura della corrente di dispersione sia responsabile del comportamento dei COV osservato nel nostro esperimento. Secondo la definizione, Isc è la corrente necessaria per produrre una tensione negativa per compensare Voc in modo che la tensione totale sia zero. All'aumentare della temperatura, Voc diventa più piccolo in modo che sia necessaria meno corrente per produrre la tensione negativa. Inoltre, la resistenza di YBCO aumenta linearmente con la temperatura superiore a Tc (parte inferiore della Fig. 3b), il che contribuisce anche al valore assoluto più piccolo di Isc alle alte temperature.
Si noti che i risultati forniti nelle Figure 2,3 sono ottenuti irradiando laser nell'area attorno agli elettrodi catodici. Le misurazioni sono state ripetute anche con il punto laser posizionato sull'anodo e sono state osservate caratteristiche IV e proprietà fotovoltaiche simili, tranne per il fatto che in questo caso la polarità di Voc e Isc è stata invertita. Tutti questi dati portano a un meccanismo per l’effetto fotovoltaico, che è strettamente correlato all’interfaccia superconduttore-metallo.
In sintesi, le caratteristiche IV del sistema di pasta superconduttiva YBCO-Ag irradiato con laser sono state misurate in funzione della temperatura e dell'intensità del laser. È stato osservato un notevole effetto fotovoltaico nell'intervallo di temperature compreso tra 50 e 300 K. Si è riscontrato che le proprietà fotovoltaiche sono fortemente correlate alla superconduttività della ceramica YBCO. Un'inversione di polarità di Voc e Isc si verifica immediatamente dopo la transizione fotoindotta da superconduttore a non superconduttore. La dipendenza dalla temperatura di Voc e Isc misurata ad intensità laser fissa mostra anche una distinta inversione di polarità ad una temperatura critica al di sopra della quale il campione diventa resistivo. Localizzando il punto laser in diverse parti del campione, mostriamo che esiste un potenziale elettrico attraverso l'interfaccia, che fornisce la forza di separazione per le coppie elettrone-lacuna fotoindotte. Questo potenziale di interfaccia si dirige da YBCO all'elettrodo metallico quando YBCO è superconduttore e cambia nella direzione opposta quando il campione diventa non superconduttore. L'origine del potenziale può essere naturalmente associata all'effetto di prossimità sull'interfaccia metallo-superconduttore quando YBCO è superconduttore e si stima che sia ~ 10−8 mV a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm2. Il contatto di un materiale di tipo p YBCO allo stato normale con una pasta Ag di materiale di tipo n forma una giunzione quasi-pn che è responsabile del comportamento fotovoltaico della ceramica YBCO ad alte temperature. Le osservazioni di cui sopra fanno luce sull'effetto PV nelle ceramiche superconduttrici YBCO ad alta temperatura e aprono la strada a nuove applicazioni in dispositivi optoelettronici come il rilevatore di luce passivo veloce e il rilevatore di singolo fotone.
Gli esperimenti sull'effetto fotovoltaico sono stati eseguiti su un campione ceramico YBCO di 0,52 mm di spessore e di forma rettangolare 8,64 × 2,26 mm2 e illuminato da laser blu a onda continua (λ = 450 nm) con una dimensione dello spot laser di 1,25 mm di raggio. L'utilizzo di campioni sfusi anziché a film sottile ci consente di studiare le proprietà fotovoltaiche del superconduttore senza dover affrontare la complessa influenza del substrato6,7. Inoltre, il materiale sfuso potrebbe essere favorevole per la sua semplice procedura di preparazione e il suo costo relativamente basso. I fili di rame vengono fissati sul campione YBCO con pasta d'argento formando quattro elettrodi circolari di circa 1 mm di diametro. La distanza tra i due elettrodi di tensione è di circa 5 mm. Le caratteristiche IV del campione sono state misurate utilizzando il magnetometro del campione di vibrazione (VersaLab, Quantum Design) con una finestra di cristallo di quarzo. Per ottenere le curve IV è stato utilizzato il metodo standard a quattro fili. Le posizioni relative degli elettrodi e del punto laser sono mostrate in Fig. 1i.
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Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (grant n. 60571063), dai progetti di ricerca fondamentale della provincia di Henan, Cina (grant n. 122300410231).
FY ha scritto il testo dell'articolo e MYH ha preparato il campione di ceramica YBCO. FY e MYH hanno eseguito l'esperimento e analizzato i risultati. FGC ha guidato il progetto e l'interpretazione scientifica dei dati. Tutti gli autori hanno rivisto il manoscritto.
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Orario di pubblicazione: 22 aprile 2020